JP6774102B2 - 弾性機構 - Google Patents

Description

本発明は、ばね又はゴム等を含む弾性機構に関する。

弾性機構として、例えば、定荷重ばね機構が知られている（例えば特許文献１）。特許文献１の定荷重ばね機構では、正のばね定数を有するばねと、負のばね定数を有するばね機構とを、その弾性力がいずれも鉛直上方となるように組み合わせている。従って、正のばね定数を有するばねの弾性力が増加又は減少すると、逆に、負のばね定数を有するばね機構の弾性力が減少又は増加する。その結果、鉛直方向の変位によらず一定の大きさで上方へ弾性力を生じることが可能となる。また、特許文献１の負のばね定数を有するばね機構は、正のばね定数を有するばね（前述の正のばね定数を有するばねとは別のばねである。）と、当該ばねに連結されたリンク機構とを有しており、ばね及びリンクの向きの変化によって弾性力の鉛直方向の成分を増減させ、これにより負のばね定数を実現している。

特開２００６−５５４９４号公報

上記のような定荷重ばね機構又は負のばね定数を有するばね機構は、種々の不都合を生じている。例えば、許容変位が小さい、ばね定数を適宜に変えることが困難である等の不都合を挙げることができる。そこで、そのような不都合の少なくとも一つを解消できる可能性がある、新たな原理に基づく弾性機構が提供されることが好ましい。

本発明の一態様に係るばね機構は、固定部と、前記固定部に対して所定の主方向において移動可能な可動部と、前記可動部を前記固定部に対して前記主方向の第１側に付勢する弾性力を生じ、かつ前記主方向の前記第１側への前記可動部の変位に伴って弾性力を増加させる負弾性機構と、を有しており、前記負弾性機構は、前記固定部に対して前記可動部を付勢する弾性力を生じる負側主弾性部と、前記主方向に交差する第１副方向において、前記可動部に対して前記負側主弾性部を付勢する弾性力を生じる負側副弾性部と、を有し、前記負側主弾性部は、前記固定部に対して、前記主方向及び前記第１副方向に直交する第１回転軸方向に平行な軸回りに回転可能に連結されており、前記可動部に対して、前記第１副方向において移動可能かつ前記第１回転軸方向に平行な軸回りに回転可能に連結されており、前記可動部との連結部が前記固定部との連結部に対して前記主方向の前記第１側かつ前記第１副方向の第２側に位置しており、前記固定部との連結部と前記可動部との連結部との間の圧縮に抗する弾性力を生じる正のばね特性を有しており、前記負側副弾性部は、前記可動部に連結されており、前記負側主弾性部の前記可動部との連結部に連結されており、前記負側主弾性部の前記可動部との連結部の、前記第１副方向の前記第２側への変位に抗する弾性力を生じる正のばね特性を有している。

好適には、前記ばね機構は、前記可動部を前記固定部に対して前記主方向の前記第１側へ付勢しており、かつ前記主方向の前記第１側への前記可動部の変位に伴って弾性力を減少させる正弾性機構を更に有し、前記正弾性機構は、前記固定部に対して前記可動部を付勢する弾性力を生じる正側主弾性部と、前記主方向に交差する第２副方向において、前記可動部に対して前記正側主弾性部を付勢する弾性力を生じる正側副弾性部と、を有し、前記正側主弾性部は、前記固定部に対して連結されており、前記固定部の所定位置から前記可動部へ至る部分を有しており、前記可動部に対して、前記第２副方向において移動可能かつ前記第２回転軸方向に平行な軸回りに回転可能に連結されており、前記可動部との連結部が前記固定部の前記所定位置に対して、前記主方向の前記第１側とは反対側かつ前記第２副方向の第３側に位置しており、前記固定部の前記所定位置と前記可動部との連結部との間の引張りに抗する弾性力を生じる正のばね特性を有しており、前記正側副弾性部は、前記可動部に連結されており、前記正側主弾性部の前記可動部との連結部に連結されており、前記正側主弾性部の前記可動部との連結部の、前記第２副方向の前記第３側とは反対側への変位に抗する弾性力を生じる正のばね特性を有している。

好適には、前記ばね機構は、前記負側主弾性部の前記固定部との連結部の、前記固定部における位置を前記主方向において調整可能な負側主弾性部位置調整機構を更に有している。

好適には、前記ばね機構は、前記負側副弾性部の前記可動部との連結部の、前記可動部における位置を、前記負側副弾性部の弾性力の方向において調整可能な負側副弾性部位置調整機構を更に有している。

好適には、前記第１副方向は前記主方向に直交しており、前記負側主弾性部のばね定数をｋ_Ｓ、前記負側副弾性部のばね定数をＫ_Ｉ、前記負側主弾性部の前記第１副方向における弾性力と前記負側副弾性部の前記第１副方向における弾性力とが釣り合う状態における、前記負側主弾性部の、前記固定部との連結部から前記可動部との連結部までの長さをｌ_ｃ、弾性力を生じない状態からの縮みをΔｌ_０、前記固定部との連結部から前記可動部との連結部への方向の、前記第１副方向からの傾斜角をθ_ｃ、前記負側副弾性部の、弾性力を生じない状態からの変形量をΔｌ_Ｉとしたときに、Ｋ_Ｉ＝ｋ_Ｓ×Δｌ_０／ｌ_ｃ、及びΔｌ_Ｉ＝ｌ_ｃ×ｃｏｓθ_ｃが成り立つ。

好適には、前記第２副方向は前記主方向に直交しており、前記正側主弾性部のばね定数をｋ_ＰＳ、前記正側副弾性部のばね定数をＫ_ＰＩ、前記正側主弾性部の前記第２副方向における弾性力と前記正側副弾性部の前記第２副方向における弾性力とが釣り合う状態における、前記正側主弾性部の、前記固定部の前記所定位置から前記可動部との連結部までの長さをｌ_Ｐｃ、弾性力を生じない状態からの伸びをΔｌ_Ｐ０、前記固定部との連結部から前記可動部との連結部への方向の、前記第２副方向からの傾斜角をθ_Pc、前記正側副弾性部の、弾性力を生じない状態からの変形量をΔｌ_ＰＩとしたときに、Ｋ_PI＝ｋ_PS×Δｌ_P0／ｌ_Pc、Δｌ_PI＝ｌ_Pc×ｃｏｓθ_Pc及びｋ_ＰＳ×Δｌ_Ｐ０／ｌ_Ｐｃ＝ｋ_Ｓ×Δｌ_０／ｌ_ｃが成り立つ。

好適には、前記第２副方向は前記主方向に直交しており、前記正側主弾性部のばね定数をｋ_ＰＳ、前記正側副弾性部のばね定数をＫ_ＰＩ、前記正側主弾性部の前記第２副方向における弾性力と前記正側副弾性部の前記第２副方向における弾性力とが釣り合う状態における、前記正側主弾性部の、前記固定部の前記所定位置から前記可動部との連結部までの前記長さをｌ_Ｐｃ、弾性力を生じない状態からの伸びをΔｌ_Ｐ０、前記固定部との連結部から前記可動部との連結部への方向の、前記第２副方向からの傾斜角をθ_Pc、前記正側副弾性部の、弾性力を生じない状態からの変形量をΔｌ_ＰＩとしたときに、Ｋ_PI＝ｋ_PS×Δｌ_P0／ｌ_Pc、Δｌ_PI＝ｌ_Pc×ｃｏｓθ_Pc及びｋ_ＰＳ×Δｌ_Ｐ０／ｌ_Ｐｃ≠ｋ_Ｓ×Δｌ_０／ｌ_ｃが成り立つ。

好適には、前記ばね機構は、前記可動部を前記固定部に対して前記主方向の前記第１側とは反対側へ付勢しており、かつ前記主方向の前記第１側とは反対側への前記可動部の変位に伴って弾性力を減少させる正弾性機構を更に有し、前記正弾性機構は、前記固定部に対して前記可動部を付勢する弾性力を生じる正側主弾性部と、前記主方向に交差する第２副方向において、前記可動部に対して前記正側主弾性部を付勢する弾性力を生じる正側副弾性部と、を有し、前記正側主弾性部は、前記固定部に対して連結されており、前記固定部の所定位置から前記可動部へ至る部分を有しており、前記可動部に対して、前記第２副方向において移動可能かつ前記第２回転軸方向に平行な軸回りに回転可能に連結されており、前記可動部との連結部が前記固定部の前記所定位置に対して、前記主方向の前記第１側かつ前記第２副方向の第３側に位置しており、前記固定部の前記所定位置と前記可動部との連結部との間の引張りに抗する弾性力を生じる正のばね特性を有しており、前記正側副弾性部は、前記可動部に連結されており、前記正側主弾性部の前記可動部との連結部に連結されており、前記正側主弾性部の前記可動部との連結部の、前記第２副方向の前記第３側とは反対側への変位に抗する弾性力を生じる正のばね特性を有している。

本発明の一態様に係るばね機構は、固定部と、前記固定部に対して所定の主方向において移動可能な可動部と、前記可動部を前記固定部に対して前記主方向の第１側へ付勢する弾性力を生じ、かつ前記主方向の前記第１側への前記可動部の変位に伴って弾性力を減少させる正弾性機構と、を有しており、前記正弾性機構は、前記固定部に対して前記可動部を付勢する弾性力を生じる正側主弾性部と、前記主方向に交差する第２副方向において、前記可動部に対して前記正側主弾性部を付勢する弾性力を生じる正側副弾性部と、を有し、前記正側主弾性部は、前記固定部に対して連結されており、前記固定部の所定位置から前記可動部へ至る部分を有しており、前記可動部に対して、前記第２副方向において移動可能かつ前記第２回転軸方向に平行な軸回りに回転可能に連結されており、前記可動部との連結部が前記固定部の前記所定位置に対して、前記主方向の前記第１側とは反対側かつ前記第２副方向の第３側に位置しており、前記固定部の前記所定位置と前記可動部との連結部との間の引張りに抗する弾性力を生じる正のばね特性を有しており、前記正側副弾性部は、前記可動部に連結されており、前記正側主弾性部の前記可動部との連結部に連結されており、前記正側主弾性部の前記可動部との連結部の、前記第２副方向の前記第３側とは反対側への変位に抗する弾性力を生じる正のばね特性を有している。

好適には、前記正側主弾性部は、前記固定部の前記所定位置に連結されており、前記正側主弾性部が連結されている前記所定位置の、前記固定部における位置を前記主方向において調整可能な正側主弾性部位置調整機構が設けられている。

好適には、前記正側副弾性部の前記可動部との連結部の、前記可動部における位置を、前記負側副弾性部の弾性力の方向において調整可能な正側副弾性部位置調整機構を更に有している。

好適には、前記主方向に直交する第３回転軸回りに回転可能であり、かつ前記第３回転軸から離れた位置にて前記可動部の前記主方向における変位が伝達される回転部材を更に有している。

上記の構成によれば、例えば、許容変位を大きくしたり、又は、ばね定数を変えたりすることができる。

本発明の実施形態に係るばね機構の原理を説明するための模式図。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は第１実施形態に係る定荷重ばね機構の構成を示す平面図及び側面図。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は図２の定荷重ばね機構に関する記号の定義を示す図。 図２の定荷重ばね機構の特性を示す図。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は図２の定荷重ばねの可変特性を示す図。 第２実施形態に係るばね機構の特性を示す図。 第３実施形態に係るばね機構を示す側面図。 図７のばね機構の特性を示す図。 第４実施形態に係るばね機構の要部を示す平面図。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は正ばね機構のバネシャフトの変形例を示す模式図。

（実施形態に係るばね機構の原理）
図１は、実施形態に係るばね機構の原理を説明するための模式図である。

図示のばね機構１は、ｚ方向に傾斜した主ばね３と、ｘ方向に平行な副ばね５とを有している。主ばね３及び副ばね５は、例えば、共に圧縮ばねであり、中央側（点Ｐ１）において互いに接続されているとともに、圧縮された状態で両端（点Ｐ２及びＰ３）のｘ方向の移動が規制されている。このとき、主ばね３及び副ばね５の弾性力は、ｘ方向において釣り合っている。

具体的には、まず、主ばね３は、ｚ方向に対して傾斜して配置されており、その長さ方向に平行な力Ｆ１を生じている。この力Ｆ１は、ｘ方向に平行な成分（分力）である力Ｆ１ｘと、ｚ方向に平行な成分（分力）である力Ｆ１ｚとに分けて考えることができる。また、副ばね５は、ｘ方向に平行に配置されており、副ばね５の長さ方向（すなわちｘ方向）に平行な力Ｆ２を生じている。そして、力Ｆ１ｘと力Ｆ２とは同一の大きさになっている。

一方、主ばね３の力Ｆ１ｚについては、これと釣り合う力はばね機構１において生じておらず、点Ｐ１をｚ方向の正側へ付勢する力となる。この力Ｆ１ｚは、いわば、主ばね３と副ばね５との不釣り合い力である。本願では、この不釣り合い力を利用するばね機構を提案する。

この不釣り合い力を利用するばね機構１においては、後に詳述するように、例えば、好適な負ばね機構を得ることができる。また、例えば、点Ｐ２のｚ方向の位置等を調整することによって、不釣り合い力Ｆ１ｚの大きさを調整し、ひいては、ばね機構１のばね定数を変更することができる。

なお、図１では、主ばね３及び副ばね５の双方が圧縮ばねである場合を例にとって説明したが、後述する実施形態から明らかなように、主ばね３及び副ばね５は、ｘ方向において互いに逆向きの弾性力を生じるように配置及び接続がなされれば、一方又は双方が引張ばねであってもよい。

＜第１実施形態＞
（概略構成）
図２（ａ）は、第１実施形態に係るばね機構１１の構成を示す平面図である。図２（ｂ）は、ばね機構１１を示す側面図である。

なお、ばね機構１１は、いずれの方向が上下方向又は水平方向とされてもよいが、便宜上、ｚ方向の正側を上方として説明することがあるものとする。他の実施形態においても同様である。

ばね機構１１は、例えば、固定部１３と、固定部１３に対してｚ方向に移動可能な載荷板１５とを有しており、載荷板１５を上方へ付勢する定荷重ばね機構として構成されている。また、ばね機構１１は、負のばね特性を有する負ばね機構１７Ｄと、正のばね特性を有する正ばね機構１７Ｕとを有することによって、定荷重ばね機構として構成されている。

なお、以下の説明において、負ばね機構１７Ｄに係る構成についてはＤを付すことがあり、正ばね機構１７Ｕに係る構成についてはＵを付すことがあり、また、Ｄ又はＵを適宜に省略して、いずれのばね機構１７に係る構成であるのか区別しないことがある。

固定部１３は、例えば、その基本となるベース１９と、載荷板１５をｚ方向に案内するための鉛直ガイド２１と、負ばね機構１７Ｄ及び正ばね機構１７Ｕの取り付けに寄与するカラム２３Ｄ及び２３Ｕとを有している。

ベース１９は、例えば、ｚ方向に面する板状である。鉛直ガイド２１は、例えば、ベース１９に固定された、ｚ方向に平行に延びる軸状部材である。載荷板１５は、例えば、板状の部材であり、ベース１９に対向するように配置され、鉛直ガイド２１が挿通されている。これにより、載荷板１５は、固定部１３に対して、ｘｙ平面に沿った移動が規制されるとともにｚ方向への移動が許容されている。なお、鉛直ガイド２１の配置及び数等は適宜に設定されてよい。図示の例では、鉛直ガイド２１は、載荷板１５のｘ方向両側に配置されている。

カラム２３Ｄ及び２３Ｕは、ベース１９に固定され、ｚ方向に延びている。カラム２３Ｕ及び２３Ｄは、例えば、載荷板１５に対してｘ方向の同一側に配置されている。カラム２３Ｕ及び２３Ｄの高さは同一でもよいが、図示の例では、カラム２３Ｄがカラム２３Ｕよりも低くされている。これは、後述のように、負ばね機構１７Ｄのカラム２３Ｄに対する連結位置が、正ばね機構１７Ｕのカラム２３Ｕに対する連結位置よりも低いことに対応している。

負ばね機構１７Ｄは、載荷板１５をｚ方向の正側に付勢する弾性力を生じ、当該弾性力は、載荷板１５がｚ方向の正側に変位するほど大きくなる。このように、負のばね特性では、弾性力の方向と弾性力が増加するときの変位の方向とが同一である。

正ばね機構１７Ｕは、載荷板１５をｚ方向の正側に付勢する弾性力を生じ、当該弾性力は、載荷板１５がｚ方向の負側に変位するほど大きくなる。このように、正のばね特性では、弾性力の方向と弾性力が増加するときの変位の方向とが逆である。

このような負ばね機構１７Ｄと正ばね機構１７Ｕとが組み合わされると、載荷板１５がｚ方向の正側又は負側に移動したとき、負ばね機構１７Ｄの弾性力の増減量と、正ばね機構１７Ｕの弾性力の増減量とが相殺される。その結果、全体として、一定の弾性力が載荷板１５に加えられることになる。

（負ばね機構の構成）
負ばね機構１７Ｄは、図１の点Ｐ１に相当するスライダー２５Ｄと、図１の主ばね３に相当するバネシャフト２７Ｄと、図１の副ばね５に相当するインタースプリング２９Ｄとを有している。バネシャフト２７Ｄとインタースプリング２９Ｄとは、ｘ方向において釣り合い、ｚ方向の正側への不釣り合い力を生じる。この不釣り合い力によって、負ばね機構１７Ｄは、載荷板１５をｚ方向の正側に付勢する。具体的には、以下のとおりである。

スライダー２５Ｄは、例えば、載荷板１５に対して、ｙｚ平面における移動が規制されるとともにｘ方向における移動が許容されている。例えば、スライダー２５Ｄは、載荷板１５に固定され、ｘ方向に延びるスライドガイド３１Ｄ（リニアガイド）によってｘ方向に案内されている。スライダー２５Ｄの形状等は適宜に設定されてよい。

バネシャフト２７Ｄは、例えば、特に符号を付さないが、軸方向の相対移動のみが許容された２つの軸状部材と、この２つの軸状部材全体の長さを短縮させる２つの軸状部材の相対移動によって圧縮される圧縮ばね（図２（ｂ）に点線で示す）とを含んで構成されている。圧縮ばねは、正のばね定数を有するものである。従って、バネシャフト２７Ｄは、その両端の間の圧縮ひずみによって増加する、圧縮ひずみに抗する弾性力を生じる（すなわち正のばね定数の）圧縮ばねとして機能する。なお、２つの軸状部材は、例えば、圧縮ばねの曲げ変形を抑制することに寄与する。

バネシャフト２７Ｄの一端は、スライダー２５Ｄに連結され、他端は、カラム２３Ｄに連結されている。この連結は、例えば、バネシャフト２７Ｄがｘｚ平面に平行になるようになされている。バネシャフト２７Ｄは、カラム２３Ｄ側の端部に対してスライダー２５Ｄ側の端部がｚ方向の正側かつｘ方向の正側に位置するように傾斜している。この傾斜には、後述するように、インタースプリング２９Ｄとの釣り合いが影響している。なお、バネシャフト２７Ｄがｚ方向又はｘ方向に対して図示の傾斜とは逆側へ傾斜しないように、スライダー２５Ｄ及び／又は載荷板１５の移動範囲が規制されていてもよい。

バネシャフト２７Ｄとスライダー２５Ｄとの連結は、ｙ方向に平行な軸回りに相対回転可能になされている。同様に、バネシャフト２７Ｄとカラム２３Ｄとの連結は、ｙ方向に平行な軸回りに相対回転可能になされている。従って、例えば、スライダー２５Ｄのｘ方向の移動及び／又は載荷板１５（スライダー２５Ｄ）のｚ方向の移動に伴って、バネシャフト２７Ｄは、短縮又は伸縮が許容されつつ（ただし、本実施形態では伸縮しない態様についても述べる）ｘ方向（別の観点ではｚ方向）に対する傾斜を変化させることが可能である。

バネシャフト２７Ｄのカラム２３Ｄとの連結部の、カラム２３Ｄにおける位置は、ｚ方向において変更可能とされている。例えば、カラム２３Ｄには、ｚ方向に配列された複数の孔部２３ｈ（図２（ｂ））が形成されている。そして、バネシャフト２７Ｄを軸支する軸部材（符号省略）のカラム２３Ｄに対する挿入位置を複数の孔部２３ｈから選択することによって、バネシャフト２７Ｄの連結位置を変更することができる。なお、このようなカラム２３Ｄ等の構成は、位置調整機構３３Ｄ（図２（ｂ））を構成している。

インタースプリング２９Ｄは、例えば、正のばね定数を有する圧縮ばねである。例えば、インタースプリング２９Ｄは、つる巻ばねであり、その両端の間の圧縮ひずみによって増加する、圧縮ひずみに抗する弾性力を生じる。なお、インタースプリング２９Ｄの座屈を抑制するように、バネシャフト２７Ｄのような伸縮する複数の軸状部材が設けられてもよい。

インタースプリング２９Ｄの一端は、スライダー２５Ｄに連結され、他端は、載荷板１５に連結されている。この連結は、例えば、ｘ方向において、インタースプリング２９Ｄがスライダー２５Ｄを挟んでバネシャフト２７Ｄとは反対側に位置するようになされ、また、インタースプリング２９Ｄがｘ方向（スライダー２５Ｄの移動方向）に平行になるようになされている。

従って、図示の例では、バネシャフト２７Ｄのｘ方向正側への分力と、インタースプリング２９Ｄのｘ方向の負側への力とがスライダー２５Ｄに作用する。すなわち、これらの力は互いに逆向きにスライダー２５Ｄに作用する。そして、スライダー２５Ｄは、これらの力が釣り合う、ｘ方向の位置にて停止する。また、バネシャフト２７Ｄのｚ方向正側への分力は、載荷板１５をｚ方向の正側へ付勢する弾性力となる。

インタースプリング２９Ｄの載荷板１５との連結部の、載荷板１５における位置は、ｘ方向において変更可能となっている。例えば、載荷板１５には、ｘ方向に配列された複数の孔部１５ｈ（図２（ａ））が形成されている。そして、インタースプリング２９Ｄの端部に固定された治具（符号省略）の載荷板１５に対する挿入位置を複数の孔部１５ｈから選択することによって、インタースプリング２９Ｄの連結位置を変更することができる。なお、このような構成は、位置調整機構３５Ｄ（図２（ａ））を構成している。

（正ばね機構の構成）
正ばね機構１７Ｕは、負ばね機構１７Ｄと同様に、図１の不釣り合い力を利用するものであり、その構成要素は、概略、負ばね機構１７Ｄと同様である。ただし、正ばね機構１７Ｕは、引張ばねを利用しており、また、各要素の向き及び位置が負ばね機構１７Ｄと相違する。具体的には、以下のとおりである。

正ばね機構１７Ｕは、図１の点Ｐ１に相当するスライダー２５Ｕ（図２（ａ））と、図１の主ばね３に相当するバネシャフト２７Ｕと、図１の副ばね５に相当するインタースプリング２９Ｕとを有している。バネシャフト２７Ｕとインタースプリング２９Ｕとは、ｘ方向において釣り合い、ｚ方向の正側への不釣り合い力を生じる。この不釣り合い力によって、正ばね機構１７Ｕは、載荷板１５をｚ方向の正側に付勢する。

スライダー２５Ｕは、スライダー２５Ｄと同様のものであり、スライドガイド３１Ｕによって、載荷板１５に対する、ｙｚ平面に平行な移動が規制されるとともにｘ方向における移動が許容されている。なお、スライドガイド３１Ｕは、例えば、スライドガイド３１Ｄと並列に配置されている。

バネシャフト２７Ｕは、例えば、バネシャフト２７Ｄと同様に、２つの軸部材と、当該２つの軸部材全体の伸縮に応じて弾性力を生じる、正のばね定数を有するばね（図２（ｂ）に点線で示す）とを有するものである。ただし、バネシャフト２７Ｕにおいて用いられるばねは、バネシャフト２７Ｄに用いられるばねとは異なり、引張ばねである。すなわち、引張ばねは、２つの軸状部材全体を伸長させる２つの軸状部材の相対移動によって引っ張られて弾性力を生じる。ひいては、バネシャフト２７Ｕは、その両端の間の引張ひずみによって増加する、引張ひずみに抗する弾性力を生じる（すなわち正のばね定数の）引張ばねとして機能する。

バネシャフト２７Ｕは、バネシャフト２７Ｄと同様に、例えば、ｘｚ平面に平行になるように、一端がスライダー２５Ｕに連結され、他端がカラム２３Ｕに連結されている。ただし、バネシャフト２７Ｕは、バネシャフト２７Ｄとは逆に、カラム２３Ｕ側の端部に対してスライダー２５Ｕ側の端部がｚ方向の負側かつｘ方向の正側に位置するように傾斜している。すなわち、バネシャフト２７Ｕは、カラム２３Ｕとの連結部からスライダー２５Ｕとの連結部への方向が、ｚ方向において、バネシャフト２７Ｄとは逆である。これにより、バネシャフト２７Ｕの引張力と、バネシャフト２７Ｄの圧縮力とは、ｚ方向において同一側（図示の例では正側）に向けられる。なお、負ばね機構１７Ｄと同様に、バネシャフト２７Ｕの傾斜には、インタースプリング２９Ｕとの釣り合いが影響しており、また、ｚ方向又はｘ方向に対して図示の傾斜とは逆側に傾斜しないように適宜に各種の部材の移動が制限されていてもよい。

バネシャフト２７Ｕとスライダー２５Ｕとの連結及びバネシャフト２７Ｕとカラム２３Ｕとの連結は、負ばね機構１７Ｄにおける連結と同様である。すなわち、これらの連結は、ｙ方向に平行な軸回りに相対回転可能になされており、また、バネシャフト２７Ｕのカラム２３Ｕとの連結部の、カラム２３Ｕにおける位置は、ｚ方向において変更可能である（位置調整機構３３Ｕ（図２（ｂ））が設けられている。）。

インタースプリング２９Ｕは、例えば、インタースプリング２９Ｄと同様に、正のばね定数を有する圧縮ばねであり、ｘ方向に平行になるようにスライダー２５Ｕ及び載荷板１５に連結されている。ただし、インタースプリング２９Ｕは、インタースプリング２９Ｄとは異なり、スライダー２５Ｕに対してバネシャフト２７Ｕと同一側に配置されている。これは、バネシャフト２７Ｕが、バネシャフト２７Ｄとは異なり、引張ばねとして機能していることに対応している。

すなわち、上記のように配置することによって、図示の例では、バネシャフト２７Ｕのｘ方向負側への分力と、インタースプリング２９Ｕのｘ方向の正側への力とがスライダー２５Ｕに対して互いに逆向きに作用する。そして、スライダー２５Ｕは、これらの力が釣り合う、ｘ方向の位置にて停止する。また、バネシャフト２７Ｕのｚ方向正側への分力は、載荷板１５をｚ方向の正側へ付勢する弾性力となる。

なお、インタースプリング２９Ｕの載荷板１５との連結部の、載荷板１５における位置が、ｘ方向において変更可能となっている（位置調整機構３５Ｕ（図２（ａ））が設けられている）ことは、インタースプリング２９Ｄと同様である。

（負ばね機構の特性）
負ばね機構１７Ｄは、図１を参照して説明した、不釣り合い力を利用する新たな原理に基づくものである。ただし、ここでは、従来技術の考え方を利用して、負ばね機構１７Ｄの特性を説明する。

まず、負ばね機構１７Ｄにおいて、スライダー２５Ｄ及びインタースプリング２９Ｄが設けられていないと仮定する。すなわち、バネシャフト２７Ｄの載荷板１５側の端部は、載荷板１５に対して、ｙ軸回りに回転可能、かつｘ方向に移動不可能に連結されていると仮定する。

この場合、載荷板１５がｚ方向の正側へ移動すると、バネシャフト２７Ｄは伸長し、長さ方向の弾性力（図１のＦ１）は減少する。一方、バネシャフト２７Ｄはｚ方向に対する傾斜が小さくなるから、バネシャフト２７Ｄの長さ方向の弾性力におけるｚ方向の分力（図１のＦ１ｚ）の割合は増加する。従って、傾斜の変化による分力の増加の程度が伸長による弾性力の減少の程度を上回ると、ｚ方向の正側への弾性力が、ｚ方向の正側への変位によって増加することになる。すなわち、負のばね特性が実現される。これが従来の負ばね機構における基本的な原理である。

バネシャフト２７Ｄのｘ方向の分力（図１のＦ１ｘ）は、載荷板１５がｚ方向の正側へ移動してバネシャフト２７Ｄのｚ方向に対する傾斜が小さくなる（ｘ方向に対する傾斜が大きくなる）と、弾性力（Ｆ１）における割合が減少する。従って、ｘ方向の分力（Ｆ１ｘ）は、バネシャフト２７Ｄの長さ方向の弾性力（Ｆ１）自体の減少と、傾斜の変化による分力の割合の減少とが相乗されて減少する。

次に、本実施形態のようにスライダー２５Ｄ及びインタースプリング２９Ｄが設けられている場合について考える。

載荷板１５（スライダー２５Ｄ）がｚ方向の正側へ移動すると、上述のように、バネシャフト２７Ｄのｘ方向の分力（Ｆ１ｘ）が減少する。これにより、インタースプリング２９Ｄによってｘ方向の負側に付勢されているスライダー２５Ｄがｘ方向の負側へ移動する。

スライダー２５Ｄのｘ方向の負側への移動によって、バネシャフト２７Ｄの伸長は抑制され、又はバネシャフト２７Ｄは短縮される。従って、バネシャフト２７Ｄの長さ方向の弾性力（Ｆ１）は、減少が抑制され、又は増加する。また、バネシャフト２７Ｄのｚ方向に対する傾斜は小さくなる。その結果、インタースプリング２９Ｄが設けられていない場合に比較して、ｚ方向の分力（Ｆ１ｚ）は増加する。

このように、インタースプリング２９Ｄが設けられていることによって、バネシャフト２７Ｄの長さ方向の弾性力の減少が抑制されたり、ｚ方向に対する傾斜の減少が助長されたりする。その結果、例えば、バネシャフト２７Ｄのｚ方向に対する傾斜が比較的小さい場合において、載荷板１５がｚ方向の正側に移動したとき、バネシャフト２７Ｄの伸長による弾性力の減少量が相対的に大きくなることが抑制され、ひいては、負ばねの機能を失うことが抑制される。すなわち、負のばね特性として機能する範囲が長くなる。

なお、別の観点では、本実施形態の負ばね機構１７Ｄでは、載荷板１５側の端部は、ｚ方向だけでなく、これに交差する方向（ｘ方向）にも移動可能であり、２自由度の運動が可能となっている。これにより、バネシャフト２７Ｄの伸縮をバネシャフト２７Ｄの傾斜のみによらずに制御可能となっており、上記のような効果が奏されている。

（正ばね機構の特性）
正ばね機構１７Ｕのばね特性についても、負ばね機構１７Ｄと同様に、便宜的に、従来技術の考え方を利用して説明する。

まず、正ばね機構１７Ｄにおいて、スライダー２５Ｕ及びインタースプリング２９Ｕが設けられていないと仮定する。すなわち、バネシャフト２７Ｕの載荷板１５側の端部は、載荷板１５に対して、ｙ軸回りに回転可能、かつｘ方向に移動不可能に連結されていると仮定する。

この場合、載荷板１５がｚ方向の負側へ移動すると、バネシャフト２７Ｕは伸長し、長さ方向の弾性力は増加する。一方、バネシャフト２７Ｕはｚ方向に対する傾斜が小さくなるから、バネシャフト２７Ｕの長さ方向の弾性力におけるｚ方向の分力の割合は増加する。従って、伸長による弾性力の増加と傾斜の変化による分力の増加との相乗によって、ｚ方向の正側への弾性力が増加する。すなわち、正のばね特性が維持される。

バネシャフト２７Ｕのｘ方向の分力は、載荷板１５がｚ方向の負側へ移動してバネシャフト２７Ｕのｚ方向に対する傾斜が小さくなる（ｘ方向に対する傾斜が大きくなる）と、弾性力における割合が減少する。従って、バネシャフト２７Ｕのｘ方向の分力は、バネシャフト２７Ｕの長さ方向の弾性力の増加の程度が、傾斜の変化によるｘ方向の分力の割合の減少の程度に対して相対的に大きいと増加し、逆に、前者が後者に対して相対的に小さいと減少する。

次に、本実施形態のようにスライダー２５Ｕ及びインタースプリング２９Ｕが設けられている場合について考える。

まず、載荷板１５（スライダー２５Ｕ）がｚ方向の負側へ移動したときに、バネシャフト２７Ｕの長さ方向の弾性力の増加の程度が、傾斜の変化によるｘ方向の分力の割合の減少の程度に対して相対的に大きい場合、すなわち、ｘ方向の負側への分力が結果として増加する場合について考える。この場合、別の観点では、傾斜の変化によるｚ方向の分力の割合の増加の程度は相対的に大きい。ｘ方向の負側への分力が結果として増加して、スライダー２５Ｕがｘ方向の負側へ移動すると、バネシャフト２７Ｕは、その伸びが抑制されるとともにｚ方向に対する傾斜の減少が助長される。その結果、ｚ方向の分力においては、伸びの増加による増加が抑制され、ｚ方向への傾斜の減少による増加が助長される。

次に、載荷板１５がｚ方向の負側へ移動したときに、バネシャフト２７Ｕの長さ方向の弾性力の増加の程度が、傾斜の変化によるｘ方向の分力の割合の減少の程度に対して相対的に小さい場合、すなわち、ｘ方向の負側への分力が結果として減少する場合について考える。この場合、別の観点では、傾斜の変化によるｚ方向の分力の割合の増加の程度は相対的に小さい。ｘ方向の負側への分力が結果として減少して、スライダー２５Ｕがｘ方向の正側へ移動すると、バネシャフト２７Ｕは、その伸びが助長されるとともにｚ方向に対する傾斜の減少が抑制される。その結果、ｚ方向の分力においては、伸びの増加による増加が助長され、ｚ方向への傾斜の減少による増加が抑制される。

纏めると、ｚ方向の分力については、伸びの増加による増加の程度が相対的に大きく、かつ傾斜の変化によるｚ方向の分力の割合の増加の程度が相対的に大きいときは、伸びの増加による増加が抑制され、ｚ方向への傾斜の減少による増加が助長され、伸びの増加による増加の程度が相対的に小さく、かつ傾斜の変化によるｚ方向の分力の割合の増加の程度が相対的に小さいときは、伸びの増加による増加が助長され、ｚ方向への傾斜の減少による増加が抑制される。従って、ｚ方向の分力は、全体として、伸びの増加の影響が相対的に小さく、ｚ方向への傾斜の減少の影響が相対的に大きくされる。その結果、例えば、バネシャフト２７Ｕの変位に対して、正ばね機構１７Ｕ全体としてのばね定数を相対的に大きくすることができる。

（負ばね機構の好適な設定例）
負ばね機構１７Ｄにおいて、上記のような不釣り合い力を利用して負のばね定数を実現するための、バネシャフト２７Ｄ及びインタースプリング２９Ｄのばね定数及び初期状態は無数に存在する。以下では、好適な設定例について述べる。

図３（ａ）は、以下の説明で用いる、種々のパラメータに係る記号の定義を示す模式図である。

同図に記載した記号等の示す内容は、以下のとおりである。
ｖ：バネシャフト２７Ｄとカラム２３Ｄとの連結部を通りｚ軸に平行な座標軸。
０：ｖ軸上の原点。以下では、バネシャフト２７Ｄとスライダー２５Ｄとの連結部が原点０の高さにあるときを初期状態とする。
Ｈ／２：原点と、バネシャフト２７Ｄとカラム２３Ｄとの連結部との距離
θ_ｃ：上記初期状態のときのバネシャフト２７Ｄのｘ方向に対する角度。初期角度。反時計回りを正とする。
ｌ_ｃ：初期角度θ_ｃのときのバネシャフト２７Ｄの長さ。初期長さ。
Δｌ_０（不図示）：初期長さｌ_ｃのときのバネシャフト２７Ｄの軸方向の変形量（縮み）。初期変形量ということがある。圧縮を正とする。
θ：バネシャフト２７Ｄのｘ方向に対する角度。反時計回りを正とする。
ｌ_ｃ′：角度θのときのバネシャフト２７Ｄの長さ

まず、図３（ａ）に係る幾何学的関係を整理すれば下記のとおりである。
Ｈ／２＝ｌ_ｃsinθ （１）
ｌ_ｃ′＝ｌ_ｃ＋Δｌ_ｃ （２）
ただし、Δｌ_ｃは、角度θ_ｃから角度θになったときのバネシャフト２７Ｄの変位増分（ばねの変位増分と同義）。
ｌ_ｃ′sinθ＝Ｈ／２＋ｖ （３）

次に力の作用を検討する。
バネシャフト２７Ｄのばね定数をｋ_ｓとすると、バネシャフト２７Ｄによる作用力ｆ_ｃ（外向きを正）は次式で表される。
ｆ_ｃ（θ）＝ｋ_ｓ（Δｌ_０−Δｌ_ｃ） （４）
なお、バネシャフト２７Ｄの伸びにより、初期変形量（縮み）が低減することから上記の符号となる。

インタースプリング２９Ｄのばね定数をＫ_Ｉとし、上述した初期状態での変形量（初期変形量。圧縮を正とする）をΔｌ_Ｉとする。角度θでのｘ方向の力のつり合い式は次式となる。
ｋ_ｓ（Δｌ_０−Δｌ_ｃ）cosθ−Ｋ_Ｉ（Δｌ_Ｉ＋ｌ_ｃ′cosθ−ｌ_ｃcosθ_ｃ）
＝０ （５）

一方、角度θ_ｃではバネシャフト２７Ｄの変位増分がゼロになるように初期変形量とばね定数を調整することから、次の水平方向の力のつり合い式が成立する。
ｋ_ｓΔｌ_０cosθ_ｃ−Ｋ_ＩΔｌ_Ｉ＝０ （６）

上記（６）式を用いて（５）式から初期変形量Δｌ_Ｉを消去し、ばね定数Ｋ_Ｉについて解くと、下記式が得られる。
Ｋ_Ｉ＝ｋ_ｓ（Δｌ_０cosθ−Δｌ_ｃcosθ−Δｌ_０cosθ_ｃ）
／（ｌ_ｃcosθ＋Δｌ_ｃcosθ−Δｌ_ｃcosθ_ｃ） （７）

ここで、バネシャフト２７Ｄの変位増分Δｌ_ｃを次のように仮定してみる。
Δｌ_ｃ＝０ （８）

上記（８）式を（７）式に代入して整理すると次式を得る。
Ｋ_Ｉ＝ｋ_ｓ×Δｌ_０／ｌ_ｃ （９）

つまり、バネシャフト２７Ｄが回転しても伸縮しないと仮定すると、インタースプリング２９Ｄのばね定数Ｋ_Ｉが定まる。（９）式を（７）式に代入してバネシャフト２７Ｄの変位増分Δｌ_ｃについて解けば、（８）式を誘導することができることは別途確認済みである。つまり、（９）式で求めたばね定数をインタースプリング２９Ｄに適用すれば、バネシャフト２７Ｄの伸縮をせずに水平力のつり合いを取ることができる。

このとき、インタースプリングに付与する初期変形量は（６）に（９）式を代入して次式のようになる。
Δｌ_Ｉ＝ｌ_ｃcosθ_ｃ （１０）

また、鉛直方向の不釣合い力は次式となる。
Ｆ_ｖ（θ）＝ｋ_ｓ（Δｌ_０−Δｌ_ｃ）sinθ （１１）

前記（３）式及び（８）式を（１１）式に代入して次式が得られる。
Ｆ_ｖ（ｖ）＝ｋ_ｓ×Δｌ_０／ｌ_ｃ×（Ｈ／２＋ｖ） （１２）
この（１２）式によれば、鉛直座標ｖに比例した正の不釣合い力Ｆ_ｖ（ｖ）が鉛直方向に生じる。

（正ばね機構の好適な設定例）
正ばね機構１７Ｕにおいても、負ばね機構と同様に、バネシャフト２７Ｕ及びインタースプリング２９Ｕのばね定数及び初期状態は無数に存在する。以下では、好適な設定例について述べる。

図３（ｂ）は、以下の説明で用いる、種々のパラメータに係る記号の定義を示す模式図である。この図に示すように、図３（ａ）と同様に原点０及びｖ軸を取り、負ばね機構１７Ｄで使用した記号にＰを付すものとする。

すなわち、同図に記載した記号等の示す内容は、以下のとおりである。
ｖ：バネシャフト２７Ｕとカラム２３Ｕとの連結部を通りｚ軸に平行な座標軸。
０：ｖ軸上の原点。バネシャフト２７Ｕとスライダー２５Ｕとの連結部が原点０の高さにあるときを初期状態とする。
Ｈ_Ｐ／２：原点と、バネシャフト２７Ｕとカラム２３Ｕとの連結部との距離
θ_Ｐｃ：上記初期状態のときのバネシャフト２７Ｕのｘ方向に対する角度。初期角度。時計回りを正とする。
ｌ_Ｐｃ：初期角度θ_Ｐｃのときのバネシャフト２７Ｕの長さ。初期長さ。
Δｌ_Ｐ０（不図示）：初期長さｌ_Ｐｃのときのバネシャフト２７Ｕの軸方向の変形量（伸び）。初期変形量ということがある。引張りを正とする。
θ_Ｐ：バネシャフト２７Ｕのｘ方向に対する角度。時計回りを正とする。
ｌ_Ｐｃ′：角度θ_Ｐのときのバネシャフト２７Ｕの長さ

なお、θ_Ｐｃ及びθ_Ｐが時計回りを正としている点並びにΔｌ_Ｐ０が引張りを正としている点は、負ばね機構１７Ｄにおける定義と異なっている。

まず、図３（ｂ）に係る幾何学的関係を整理すれば下記のとおりである。
Ｈ_Ｐ／２＝ｌ_Ｐｃsinθ_Ｐ （１３）
ｌ_Ｐｃ′＝ｌ_Ｐｃ＋Δｌ_Ｐｃ （１４）
ただし、Δｌ_Ｐｃは、角度θ_Ｐｃから角度θ_Ｐになったときのバネシャフト２７Ｕの変位増分（ばねの変位増分と同義）。
ｌ_Ｐｃ′sinθ_Ｐ＝Ｈ_Ｐ／２−ｖ （１５）

次に力の作用を検討する。
バネシャフト２７Ｕのばね定数をｋ_Ｐｓとすると、バネシャフト２７Ｕによる作用力ｆ_Ｐｃ（外向きを正）は次式で表される。
ｆ_Ｐｃ（θ_Ｐ）＝−ｋ_Ｐｓ（Δｌ_Ｐ０＋Δｌ_Ｐｃ） （１６）
なお、バネシャフト２７Ｕの伸びにより、初期変形量（伸び）が増加することから上記の符号となる。

インタースプリング２９Ｕのばね定数をＫ_ＰＩとし、上述した初期状態での変形量（初期変形量。圧縮を正とする）をΔｌ_ＰＩとする。角度θ_Ｐでのｘ方向の力のつり合い式は次式となる。
ｋ_Ｐｓ（Δｌ_Ｐ０＋Δｌ_Ｐｃ）cosθ_Ｐ
−Ｋ_ＰＩ（Δｌ_ＰＩ−ｌ_Ｐｃ′cosθ_Ｐ＋ｌ_Ｐｃcosθ_Ｐｃ）＝０ （１７）

一方、角度θ_Ｐｃではバネシャフト２７Ｕの変位増分がゼロになるように初期変形量とばね定数を調整することから、次の水平方向の力のつり合い式が成立する。
ｋ_ＰｓΔｌ_Ｐ０cosθ_Ｐｃ−Ｋ_ＰＩΔｌ_ＰＩ＝０ （１８）

上記（１８）式を用いて（１７）式から初期変形量Δｌ_ＰＩを消去し、ばね定数Ｋ_ＰＩについて解くと、下記式が得られる。
Ｋ_ＰＩ＝−ｋ_Ｐｓ（Δｌ_Ｐ０cosθ_Ｐ＋Δｌ_Ｐｃcosθ_Ｐ−Δｌ_Ｐ０cosθ_Ｐｃ）
／（ｌ_Ｐｃcosθ_Ｐ＋Δｌ_Ｐｃcosθ_Ｐ−ｌ_Ｐｃcosθ_Ｐｃ） （１９）

ここで、バネシャフト２７Ｕの変位増分Δｌ_Ｐｃを次のように仮定してみる。
Δｌ_Ｐｃ＝０ （２０）

上記（２０）式を（１９）式に代入して整理すると次式を得る。
Ｋ_ＰＩ＝−ｋ_Ｐｓ×Δｌ_Ｐ０／ｌ_Ｐｃ （２１）

現実には、（２１）式に示すような負のばね定数を持つばねを設置することは容易ではない。そこで、以下、Δｌ_Ｐｃは変動するものとして検討する。

負ばね機構１７Ｄにおけるθ＝θ_ｃでの水平力のつり合い式（（６）式）は、正ばね機構１７Ｕのθ_Ｐ＝θ_Ｐｃでのつり合い式（（１８）式）と力の向きは異なるが、同様のつり合い状態を示している。そこで、インタースプリング２９Ｕのばね定数と初期変形量とをそれぞれＫ_ＰＩ＝Ｋ_Ｉ、Δｌ_ＰＩ＝Δｌ_Ｉ（ただし、正負の定義は異なる）と仮定して、Δｌ_Ｐｃの変動量、ならびに鉛直方向の不釣合い力の特性を評価する。

バネシャフト２７Ｕの変位増分Δｌ_Ｐｃは、（１７）式に（９）式と（１０）式を代入してΔｌ_Ｐｃについて解けばよい。導出した解は極めて煩雑なため、以下のように示す。
Δｌ_Ｐｃ＝Δｌ_Ｐｃ（ｌ_Ｐｃ，Ｈ_Ｐ，ｖ，ｋ_Ｐｓ，Δｌ_Ｐ０） （２２）

鉛直方向の不釣合い力は次式で表される。
Ｆ_Ｐｖ（θ_Ｐ）＝ｋ_Ｐｓ（Δｌ_Ｐ０＋Δｌ_Ｐｃ）sinθ_Ｐ （２３）

（１５）式を代入して整理すると次式を得る。
Ｆ_Ｐｖ（ｖ）＝ｋ_Ｐｓ×（Δｌ_Ｐ０＋Δｌ_Ｐｃ）／（ｌ_Ｐｃ＋Δｌ_Ｐｃ）
×（Ｈ_Ｐ／２−ｖ） （２４）

鉛直座標ｖと不釣合い力はバネシャフト２７Ｕの伸縮量Δｌ_Ｐｃによる非線形関係となる。バネシャフト２７Ｕの伸縮量が十分に小さい範囲において、以下の近似式が成り立つ。
Ｆ_Ｐｖ（ｖ）＝ｋ_Ｐｓ×Δｌ_Ｐ０／ｌ_Ｐｃ×（Ｈ_Ｐ／２−ｖ） （２５）
このとき、ばね定数は一定値を示し、鉛直座標ｖに比例した負の不釣合い力が生じる。

なお、上記では、Ｋ_ＰＩ＝Ｋ_Ｉ、Δｌ_ＰＩ＝Δｌ_Ｉと仮定したが、この仮定の成立は必須ではない。負ばね機構１７Ｄについての（９）式及び（１０）式から類推できるように、Ｋ_PI＝ｋ_PS×Δｌ_P0／ｌ_Pc、Δｌ_PI＝ｌ_Pc×ｃｏｓθ_Pcが成り立てば、（２４）式及び（２５）式が導かれる。

（定荷重ばね機構の好適な設定例）
負ばね機構１７Ｄ及び正ばね機構１７Ｕそれぞれについて、ばね定数及び初期状態が無数に存在するように、これらを組み合わせた定荷重ばね機構１１においても、そのばね定数及び初期状態は無数に存在する。以下では、好適な設定例について述べる。

ばね機構１１における好適な設定例は、例えば、上述した、負ばね機構１７Ｄの好適な設定例と、正ばね機構１７Ｕの好適な設定例との組み合わせである。このときのばね特性は、以下のとおりである。

上述した負ばね機構１７Ｄ及び正ばね機構１７Ｕの好適な設定例について、不釣合い力の和を取れば以下の式となる。
ｆ_ｖ（ｖ）＝Ｆ_ｖ（ｖ）＋Ｆ_Ｐｖ（ｖ）
＝ｋ_ｓ×Δｌ_０／ｌ_ｃ×（Ｈ／２−ｖ）
＋ｋ_Ｐｓ×Δｌ_Ｐ０／ｌ_Ｐｃ×（Ｈ_Ｐ／２−ｖ） （２６）

ここで、
Ｋ_ｓ＝ｋ_ｓ×Δｌ_０／ｌ_ｃ、
Ｋ_Ｐｓ＝ｋ_Ｐｓ×Δｌ_Ｐ０／ｌ_Ｐｃ
とする。Ｋ_ｓ及びＫ_Ｐｓは、負ばね機構１７Ｄ及び正ばね機構１７Ｕのｚ方向における弾性力のばね定数に相当する。

このばね定数Ｋ_ｓ及びＫ_Ｐｓを用いて（２６）式を整理すると、下記式が得られる。
ｆ_ｖ（ｖ）＝（Ｋ_ｓＨ＋Ｋ_ＰｓＨ_Ｐ）／２＋（Ｋ_ｓ−Ｋ_Ｐｓ）ｖ （２７）

従って、Ｋ_ｓ＝Ｋ_Ｐｓであれば、（２７）式の右辺第１項を弾性力とする定荷重ばね特性が実現される。

Ｋ_ｓ＝Ｋ_Ｐｓを満たす、ｌ_ｃ、ｋ_ｓ、Δｌ_０、ｌ_Ｐｃ、ｋ_Ｐｓ及びΔｌ_Ｐ０の組み合わせは無数に存在する。例えば、簡便には、ｌ_ｃ＝ｌ_Ｐｃ、ｋ_ｓ＝ｋ_Ｐｓ及びΔｌ_０＝Δｌ_Ｐ０である。さらに、Ｈ＝Ｈ_Ｐであってもよい。この場合、（２７）式より、下記式が得られる。
ｆ_ｖ（ｖ）＝ｋ_ｓ×Δｌ_０／ｌ_ｃ×Ｈ＝const. （２８）

（ばね特性の例）
上述した好ましい設定例（（２８）式）を前提として、ばね特性を計算で求めた。計算条件は、以下のとおりである。
ｌ_ｃ＝３００ｍｍ
ｋ_ｓ＝０．１０２Ｎ／ｍｍ
Δｌ_０＝１１７．７ｍｍ
Ｈ＝１５０ｍｍ
なお、ｆ_ｖの目標値は、６．０Ｎである。

図４は、計算結果を示している。横軸"Vertical Disp."は、載荷板１５（図１の点Ｐ１）の座標ｖを示している。縦軸"Force"は、各種のばね機構から載荷板１５に対してｚ方向の正側に付与される力を示している。

"Analytical Solution"は、理論解を示している。"Multi-Body Computation"は、動力学モデルによる数値解析結果を示している。"Total"は、ばね機構１１による力を示し、"U-Spring"は、正ばね機構１７Ｕによる力を示し、"D-Spring"は、負ばね機構１７Ｄによる力を示している。

理論解と、動力学モデルによる数値解析結果とは良好に一致している。また、ばね機構１１全体としての力は、一定であり、かつ目標の大きさと一致している。

（ばね特性の調整）
上記の（２７）式から、ｌ_ｃ、ｋ_ｓ、Δｌ_０、Ｈ、ｌ_Ｐｃ、ｋ_Ｐｓ、Δｌ_Ｐ０及びＨｐのいずれかを変更すれば、定荷重値ｆ_ｖを変更できることが理解される。より簡便には、（２８）式が成り立つ設定において、ｋ_ｓ、Δｌ_０、ｌ_ｃ及びＨのいずれかが変更されればよい。

ただし、いずれのパラメータについても、インタースプリング２９のばね定数あるいは初期変形量の同時変更が求められる。簡易に定荷重値ｆ_ｖを変えるためには、バネシャフト２７の高さＨ及び／又はＨ_Ｐ（別の観点ではバネシャフト２７Ｄのカラム２３Ｄに対する連結位置とバネシャフト２７Ｕのカラム２３Ｕに対する連結位置とのｚ方向の距離）を変えるのが実際的である。この場合、高さＨ及び／又はＨ_Ｐの変化に伴うインタースプリング２９の初期変形量ΔＩ_Ｉの調整が必要となる。一般に、インタースプリング２９の初期変形量は大きく、高さＨ及び／又はＨ_Ｐの変化に伴う初期変形量ΔＩ_Ｉの変化は無視できる程度に小さい。そのため、定荷重値ｆ_ｖを変化させるには、高さＨ及び／又はＨ_Ｐ変えるだけで良い場合が多い。また、（２８）式のような場合、定荷重値ｆ_ｖは高さＨに正比例することから、機械的な取り扱いも容易である。

そこで、高さＨを変えて、図４の計算と同様の計算を行った。なお、計算条件は、高さＨ（＝Ｈ_Ｐ）を除いて、図４と同様である。

図５は、その計算結果を示している。横軸"Vertical Disp."、縦軸"Force"、"Analytical Solution"及び"Multi-Body Computation"の意味は、図４と同様である。また、同図に示すように、Ｈ＝１５０ｍｍ、Ｈ＝１００ｍｍ及びＨ＝５０ｍｍの３ケースについて計算を行った。なお、いずれの計算結果も、ばね機構１１全体としての弾性力を示している。

この図に示されているように、高さＨを変えることによって定荷重値ｆ_ｖを変えることができており、また、理論解と動力学モデルによる数値解析結果とは一致している。

また、高さＨを変えたときに、インタースプリング２９の初期変形量ΔＩ_Ｉを調整した場合と、調整しない場合とについて、動力学モデルによる数値解析を行った。なお、計算条件は、高さＨ（＝Ｈ_Ｐ）及びΔＩ_Ｉを除いて、図４と同様である。

横軸"Vertical Disp."及び縦軸"Force"、"Analytical Solution"の意味は、図４と同様である。"ΔＩ_Ｉ adjusted"は初期変形量ΔＩ_Ｉを調整した場合の計算結果であり、"ΔＩ_Ｉ not adjusted "は初期変形量ΔＩ_Ｉを調整していない場合の計算結果である。図示のとおり、Ｈ＝１００ｍｍ及びＨ＝５０ｍｍの２ケースについて計算を行った。

この図に示されているように、高さＨの変更に際して、初期変形量ΔＩ_Ｉを調整した場合と調整していない場合とでは、その差はほとんどない。

以上のとおり、本実施形態に係るばね機構１１では、載荷板１５をｚ方向の正側へ付勢する負ばね機構１７Ｄは、バネシャフト２７Ｄと、インタースプリング２９Ｄとを有している。バネシャフト２７Ｄは、固定部１３に回転可能に連結され、（スライダー２５Ｄを介して）載荷板１５に対して回転可能かつｘ方向に移動可能に連結され、載荷板１５との連結部が固定部１３との連結部に対してｚ方向の正側かつｘ方向の正側に位置しており（傾斜しており）、圧縮に抗する弾性力を生じる。インタースプリング２９Ｄは、載荷板１５に連結されるとともに、（スライダー２５Ｄを介して）バネシャフト２７Ｄに連結されており、バネシャフト２７Ｄの載荷板１５との連結部のｘ方向の正側への変位に抗する弾性力を生じる。

従って、例えば、不釣り合い力を利用する原理によって好適に負のばね定数を実現できる。この負ばね機構１７Ｄは、例えば、ばねの向きの変化のみを利用する従来技術に比較して、負のばね定数を実現できる変位の範囲が広い。また、負ばね機構１７Ｄは、例えば、バネシャフト２７Ｄの固定部１３との連結部のｚ方向の位置又はインタースプリング２９Ｄの載荷板１５との連結部のｘ方向の位置を変えることによって、ばね定数を変えることができる。このような負のばね定数の可変性を有する機構は、従来提案されていない。

また、本実施形態に係るばね機構１１では、載荷板１５をｚ方向の正側へ付勢する正ばね機構１７Ｕは、バネシャフト２７Ｕと、インタースプリング２９Ｕとを有している。バネシャフト２７Ｕは、固定部１３に回転可能に連結され、（スライダー２５Ｕを介して）載荷板１５に対して回転可能かつｘ方向に移動可能に連結され、載荷板１５との連結部が固定部１３との連結部に対してｚ方向の負側かつｘ方向の正側に位置しており（傾斜しており）、引張りに抗する弾性力を生じる。インタースプリング２９Ｕは、載荷板１５に連結されるとともに、（スライダー２５Ｕを介して）バネシャフト２７Ｕに連結されており、バネシャフト２７Ｕの載荷板１５との連結部のｘ方向の負側への変位に抗する弾性力を生じる。

従って、例えば、不釣り合い力を利用する原理によって好適に正のばね定数を実現できる。この正ばね機構１７Ｕは、例えば、バネシャフト２７Ｕの固定部１３との連結部のｚ方向の位置又はインタースプリング２９Ｕの載荷板１５との連結部のｘ方向の位置を変えることによって、ばね定数を変えることができる。

また、本実施形態では、上記のような負ばね機構１７Ｄ及び正ばね機構１７Ｕを組み合わせて定荷重ばね機構１１を構成している。従って、例えば、比較的広い変位について定荷重を実現できる。また、例えば、バネシャフト２７Ｄ及び／又は２７Ｕの固定部１３との連結部のｚ方向の位置を変えたり、インタースプリング２９Ｄ及び／又は２９Ｕの載荷板１５との連結部のｘ方向の位置を変えたりすることによって、定荷重の大きさを変えることができる。

＜第２実施形態＞
（概要）
第２実施形態のばね機構は、構造自体は第１実施形態のばね機構１１と同様である。すなわち、第２実施形態のばね機構は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示した構造を有している。従って、第２の実施形態の説明においても、第１実施形態の符号を用いることとする。

ただし、第２実施形態のばね機構１１は、ばね定数等の設定が第１実施形態とは異なり、定荷重ばね機構に一定のばね特性を付与したような機能を発揮する。具体的には、以下のとおりである。

上述した（２７）式において、Ｋ_ｓ≠Ｋ_Ｐｓとすると、所定のばね定数を有し（右辺第２項）、また、所定の定荷重項（右辺第１項）を有する特殊なばね機構１１が得られる。このようなばね機構１１が本実施形態のばね機構である。

（ばね定数の設定）
第２実施形態のばね機構１１のばね定数は、（２７）式の右辺第２項から明らかなように、下記式で現わされる。
ｋ_ｍ＝Ｋ_ｓ−Ｋ_Ｐｓ （２９）
すなわち、所望のばね定数ｋ_ｍに応じて、ｌ_ｃ、ｋ_ｓ、Δｌ_０、ｌ_Ｐｃ、ｋ_Ｐｓ及びΔｌ_Ｐ０を適宜に設定すればよい。

（定荷重項の設定）
上記（２７）式の定荷重項（右辺第１項）から、例えば、高さＨ及び／又はＨ_Ｐを変更すれば、定荷重の値を変えることができることがわかる。

なお、高さＨ及びＨ_Ｐの関係は、以下のようになる。（２９）式より、次式が成り立つ。
Ｋ_Ｐｓ＝ｋ_ｍ−Ｋ_ｓ （３０）

一方、原点位置を上記のばね特性の中立位置とした場合、所定の定荷重値をｆ_０として、下記式が成り立つ。
ｆ_０＝（Ｋ_ｓＨ＋Ｋ_ＰｓＨ_Ｐ）／２ （３１）

この（３１）式に（３０）式を代入してバネシャフト２７Ｕのヒンジ高さＨ_Ｐについて解けば、最終的に次式が得られる。
Ｈ_Ｐ＝−（１−α_ｆ）／（１−α_ｍ）×Ｈ （３２）
ここで、
α_ｆ＝２ｆ_０／（Ｋ_ｓＨ）
α_ｍ＝ｋ_ｍ／Ｋ_ｓ

ばね定数を一定とし、定荷重の大きさを一定の割合α_ｃで変化させることを考える。この場合、（２７）式又は（３１）式より、以下の式が得られる。
α_ｃｆ_０＝（Ｋ_ｓα_ｃＨ＋Ｋ_Ｐｓα_ｃＨ_Ｐ）／２ （３３）
この式から、α_ｃＨ及びα_ｃＨ_Ｐを新たなＨ及びＨ_Ｐとすればよいことがわかる。

（ばね特性の例）
上記の式に基づく、ばね特性の理論解を計算した。計算条件は、以下のとおりである。
ｌ_ｃ＝３００ｍｍ
ｋ_ｓ＝０．１０２Ｎ／ｍｍ
Δｌ_０＝１１７．７ｍｍ
Ｈ＝１００ｍｍ
定荷重ｆ_０：４．０Ｎ（α_ｆ＝２）

図６は、その計算結果を示している。横軸"Vertical Disp."、縦軸"Force"、"Analytical Solution"及び"Multi-Body Computation"の意味は、図４と同様である。また、同図に示すように、α_ｍを−０．６から０．６まで変化させた。具体的には、ばね定数Ｋ_Ｐｓを変化させてｋ_ｍを変化させた（（２９）式参照）。また、これに伴い、（３２）式に基づいてＨ_Ｐを変化させた。

同図に示されているように、定荷重が保たれつつ、一定のばね特性が発揮されている。また、このばね特性は、α_ｍの正負によって、正のばね特性及び負のばね特性のいずれも再現可能である。なお、α_ｍ＝０は、第１実施形態の定荷重ばね機構１１に相当する。

以上のとおり、本実施形態では、負ばね機構１７Ｄ及び正ばね機構１７Ｕを組み合わせ、かつＫ_ｓ≠Ｋ_Ｐｓとすることによって、定荷重ばね機構に一定のばね特性を付与したような特殊なばね機構が実現される。このようなばね機構は、例えば、縦免震装置などに有用である。しかも、不釣り合い力を利用する原理に基づくことから、第１実施形態と同様に、定荷重を変えることができ、更に、ばね定数も変えることができる。

＜第３実施形態＞
（概要）
図７は、第３実施形態のばね機構３１１の構成を示す側面図であり、第１実施形態の図２（ｂ）に対応する図である。なお、ばね機構３１１の平面図は、図２（ａ）と同様である。図７において、第１実施形態と同一又は類似する構成については、同一の符号を付し、また、説明を省略することがある。

ばね機構３１１は、第１実施形態と同様に、固定部１３、載荷板１５、負ばね機構１７Ｄ及び正ばね機構１７Ｕを有している。ただし、第１実施形態とは異なり、負ばね機構１７Ｄ及び正ばね機構１７Ｕがｚ方向の同一側に配置されている。

なお、図７において、正ばね機構１７Ｕに係るバネシャフト２７Ｕ及びスライダー２５Ｕ並びにカラム２３Ｕは、負ばね機構１７Ｄに係るバネシャフト２７Ｄ及びスライダー２５Ｄ並びにカラム２３Ｄに隠れて不図示である。図７では、カラム２３Ｄが比較的高く設けられているが、第１実施形態でもこのように高く設けられてよいことは既に述べたとおりである。また、図７では、バネシャフト２７のカラム２３に対する連結位置を調整するための孔部２３ｈの図示が省略されているが、第１実施形態と同様に、連結位置は調整可能であってよい。

このようなばね機構３１１は、種々の用途に利用可能であるが、例えば、以下のように、ばね定数を正負の広い範囲で変更可能なばね機構として利用可能である。

負ばね機構１７Ｄ及び正ばね機構１７Ｕが同一側に配置されていることから、負ばね機構１７Ｄの弾性力と正ばね機構１７Ｕの弾性力とは互いに打ち消し合う。また、載荷板１５がｚ方向において変位すると、双方の弾性力が減少し、又は双方の弾性力が増加する。

従って、例えば、負ばね機構１７Ｄ及び正ばね機構１７Ｕの各種のパラメータが、第１実施形態で述べた（２８）式が成立するようなものである場合、すなわち、負ばね機構１７と正ばね機構１７Ｕとの各種パラメータの設定が同等の場合、載荷板１５の変位に関わらず、ばね機構３１１全体としては、載荷板１５に弾性力を付与しない。

一方、例えば、負ばね機構１７Ｄ及び正ばね機構１７Ｕの各種のパラメータが異なり、一方の弾性力が他方の弾性力よりも大きい場合、ばね機構３１１全体としてのばね特性は、その弾性力が大きい方のばね機構１７の特性が現れやすくなる。このような原理により、正負の広い範囲に亘ってばね定数を変化させることができる。

（ばね定数の調整方法の具体例）
負ばね機構１７Ｄ及び正ばね機構１７Ｕの弾性力の大きさを異ならせるための手法は、種々考えられる。例えば、一方のバネシャフト２７の初期変形量を強制的に増加させてもよい。具体的には、以下のとおりである。なお、以下では、負ばね機構１７Ｄ及び正ばね機構１７Ｕのうち、正ばね機構１７Ｕにおいて初期変形量を強制的に増加させる場合を例にとって説明する。

ここでは、（１２）式及び（２４）式に基づいて、負ばね機構１７Ｄ及び正ばね機構１７Ｕのばね定数Ｋ_ｓ及びＫ_Ｐｓを以下のように考える。
Ｋ_ｓ＝−ｋ_ｓ×Δｌ_０／ｌ_ｃ （３４）
Ｋ_Ｐｓ＝ｋ_Ｐｓ×（Δｌ_Ｐ０＋Δｌ_Ｐｃ）／（ｌ_Ｐｃ＋Δｌ_Ｐｃ） （３５）

今、ｌ_ｃ＝ｌ_Ｐｃ、ｋ_ｓ＝ｋ_Ｐｓ及びΔｌ_０＝Δｌ_Ｐ０及びＨ＝Ｈ_Ｐであるものとする。これを初期条件とし次の調整を行う。

バネシャフト２７Ｕの初期変形量Δｌ_０を増加させ、強制的に変形量Δｌ_０ ^＊を加える。具体的な機構としては、例えば、２つの軸状部材に設けられた、引張ばねの両端を保持するストッパの軸状部材に対する位置を変化させる。このストッパの位置は、例えば、スライドガイドとボールねじとの組み合わせによって駆動される。ボールねじの駆動は、例えば、手動（人力）又は電動によって行われる。

強制的に変形量Δｌ_０ ^＊を加えると、変形量にはΔｄｌ_０の変化量が生じて初期変形量ｌ_０はｌ_Ｆ０に変化し、長さｌ_ｃはｌ_Ｆｃに変化する。またインタースプリング２９ＤはΔｄｌ_Ｉの変化が生じて、初期変形量ｌ_Ｉはｌ_ＦＩに変化し、再び以下の水平方向に関するつり合い状態となる。
ｋ_ｓΔｌ_Ｆ０cosθ_Ｆｃ−Ｋ_Ｉｌ_ＦＩ＝０ （３６）
ここで、
Δｌ_Ｆ０＝Δｌ_０−Δｄｌ_０ （３７）
Δｌ_ＦＩ＝Δｌ_Ｉ−Δｄｌ_Ｉ （３８）
Δｄｌ_Ｉ＝ｌ_ｃcosθ_ｃ−ｌ_Ｆｃcosθ_Ｆｃ （３９）
ここで、
sinθ_Ｆｃ＝Ｈ／（２ｌ_Ｆｃ） （４０）

上記（３６）式に（３７）式から（４０）式まで代入すればΔｄｌ_０に関する方程式となり、これを解くことができる。このとき、（３４）式の正ばねの値はΔｌ_Ｐｃに関する非線形性を持ち、鉛直座標原点（ｖ＝0）から高さＨ／２間でばね定数が変化する。

上記の式に基づいて、初期変形量Δｌ_０に対する強制変形量の増加量Δｌ_０ ^＊（再つり合い時における収束した増加量ではない）の比をパラメータとして、理論解及び動力学モデルに基づく数値解析の計算を行った。

図８は、その計算結果を示している。横軸"Vertical Disp."、縦軸"Force"、"Analytical Solution"及び"Multi-Body Computation"の意味は、図４と同様である。また、同図に示すように、Δｌ_０ ^＊／Δｌ_０を０．１２５から１．８まで変化させた。

同図に示されているように、ばね定数を正のばね定数から負のばね定数まで変化させることができる。また、理論解と動力学モデルに基づく解析結果とは一致している。

以上のとおり、本実施形態では、不釣り合い力を利用する負ばね機構１７Ｄ及び正ばね機構１７Ｕを組み合わせ、かつ両者の付勢方向を逆方向とすることによって、ばね定数を正から負まで変化させることができる特殊なばね機構が実現される。

なお、特に図示しないが、載荷板１５を高さＨ／２よりも上に移動させると、図７とは逆に、正ばね機構１７Ｕ及び負ばね機構１７Ｄの双方がｚ方向の負側に位置することになるから、ばね機構３１１の特性は、上記の特性と、力の大きさが同じで反対向きの特性となる。従って、鉛直ガイド２１を高く構成するなどして、載荷板１５が高さＨ／２よりも上に移動できるようにばね機構３１１を構成すると、高さＨ／２の位置を基準として、正負の移動量及び力を得ることができる。すなわち、通常のばねと同様の特性が得られる。

＜第４実施形態＞
図９は第４実施形態に係るばね機構４４１の要部を示す図である。

ばね機構４４１は、第１〜第３実施形態の弾性力を生じるばね機構を応用したものである。なお、図９では、第１実施形態のばね機構１１の符号を付しているが、他の実施形態のばね機構が組み合わされてもよい。ばね機構４４１は、ばね機構１１に、当該ばね機構１１の弾性力をモーメントに変換する機構を追加したものである。

具体的には、例えば、ばね機構４４１は、ｚ方向に直交する回転軸Ａ１回りに回転可能な追加シャフト４４３を有しており、ばね機構４４１は、その追加シャフト４４３に交差する方向に弾性力を付与する。なお、回転軸Ａ１の延びる方向は、ｚ方向に直交していればよく、ｘ方向及びｙ方向に対する向きは問わない。

より具体的には、例えば、ばね機構４４１は、ばね機構１１の載荷板１５に固定された、又は載荷板１５に相当するスライドガイド４４５と、スライドガイド４４５によって回転軸Ａ１及びｚ方向に直交する方向（紙面左右方向）に移動可能に保持されたスライダー４４７とを有している。そして、スライダー４４７は、追加シャフト４４３に対して、追加シャフト４４３の軸方向において移動不可能、かつ回転軸Ａ１に平行な回転軸回りに回転可能に連結されている。

このような構成において、ばね機構１１の弾性力Ｆ_ｖが回転軸Ａ１から距離ｌ_ａの位置にて追加シャフト４４３に加えられるとする。この場合、ばね機構４４１は、概ねＦ_ｖ×ｌ_ａのモーメントを生じる。このモーメントは、例えば、回転軸Ａ１からの距離がｌ_ｔの位置にて追加シャフト４４３にＦ_ｔの力が加えられたときのモーメントＦ_ｔ×ｌ_ｔと釣り合う。

なお、以上の実施形態において、第１実施形態は請求項１〜６及び９〜１１に係る発明の一例である。第２実施形態は請求項１〜５、７及び９〜１１に係る発明の一例である。第３実施形態は請求項１、８及び９〜１１（並びに請求項２を引用しない請求項３〜５）に係る発明の一例である。第４実施形態は請求項１２に係る発明の一例である。

ｚ方向は主方向の一例である。第１及び第２実施形態においてはｚ方向の正側は主方向の第１側の一例であり、第３実施形態においてはｚ方向の負側は主方向の第１側の一例である。ｘ方向は第１副方向及び第２副方向の一例である。ｘ方向の正側は第１副方向の第２側及び第２副方向の第３側の一例である。ｙ方向は第１回転軸方向及び第２回転軸方向の一例である。回転軸Ａ１は第３回転軸の一例である。

ばね機構１、１１、３１１及び４１１は弾性機構の一例である。載荷板１５は可動部の一例である。負ばね機構１７Ｄは負弾性機構の一例である。正ばね機構１７Ｕは正弾性機構の一例である。バネシャフト２７Ｄは負側主弾性部の一例である。バネシャフト２７Ｕは正側主弾性部の一例である。インタースプリング２９Ｄは負側副弾性部の一例である。インタースプリング２９Ｕは正側副弾性部の一例である。位置調整機構３３Ｄは負側主弾性部位置調整機構の一例である。位置調整機構３３Ｕは正側主弾性部位置調整機構の一例である。位置調整機構３５Ｄは負側副弾性部位置調整機構の一例である。位置調整機構３５Ｕは正側副弾性部位置調整機構の一例である。追加シャフト４４３は回転部材の一例である。

バネシャフト２７Ｕの固定部１３に対する連結位置は固定部の所定位置の一例である。バネシャフト２７Ｕ全体は、正側主弾性部の、固定部の所定位置から可動部に至る部分の一例である。

本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。

実施形態では、負弾性機構（負ばね機構１７Ｄ）及び正弾性機構（正ばね機構１７Ｕ）の双方を有する弾性機構を示した。ただし、弾性機構は、負弾性機構のみ、又は正弾性機構のみを有していてもよい。また、負弾性機構及び正弾性機構が組み合わされる場合において、一方のみが本発明の特徴を有し、他方は通常の弾性機構とされてもよい。例えば、正弾性機構は、ばね定数の可変性が不要であれば、通常の機械式ばねとされてもよい。

実施形態では、副弾性部（インタースプリング２９）として、圧縮に抗する弾性力を生じるものを示した。ただし、これら副弾性部の一方又は双方は、引張りに抗する弾性力を生じさせるものであってもよい。ただし、この場合、副弾性部の、主弾性部（バネシャフト２７）に対する副方向（ｘ方向）の位置は、実施形態とは逆になる。

主弾性部（バネシャフト２７）及び副弾性部（インタースプリング２９）は、つる巻きばねを含んで構成されるものに限定されない。例えば、つる巻きばねに代えて、板ばね、空気ばね、又はゴムを含んで構成されていてもよい。

また、弾性部は、その内部の弾性体の圧縮によって引張りに抗する弾性力を発揮したり、逆に、内部の弾性体の引張りによって圧縮に抗する弾性力を発揮したりしてもよい。例えば、以下のとおりである。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、バネシャフト２７Ｕの変形例を示す模式図である。バネシャフト２７Ｕは、軸方向に互いに相対移動可能な軸状部材５１及び５３と、これらに固定された圧縮ばね５５とを有している。２つの軸状部材５１及び５３が伸長すると、圧縮ばね５５は、圧縮されて圧縮に抗する弾性力を生じる。一方、バネシャフト２７Ｕ全体でみると、引張りに抗する弾性力を生じることになる。

このように、弾性部（バネシャフト２７Ｕ）と、その内部の弾性体（圧縮ばね５５）とは、圧縮・引張りが逆であってもよい。一般に、引張ばねの許容荷重やばね定数範囲は、圧縮ばねよりも狭い傾向がある。従って、この変形例のように、圧縮ばねを用いて、引張りばね特性を実現すると、許容荷重やばね定数範囲を広くでき、好ましい。

主弾性部及び副弾性部の全体としての形状は、長尺状でなくてよい。例えば、負側主弾性部（バネシャフト２７Ｄ）についていえば、固定部との連結部と、可動部（載荷板１５）との連結部との近接又は離反に応じて、これら連結部間を結ぶ方向において、近接又は離反に抗する弾性力を生じればよく、形状がこれらの連結部間を結ぶ軸状である必要はない。他の弾性部についても、同様のことがいえる。

また、例えば、正側主弾性部（バネシャフト２７Ｕ）については、スライダー２５Ｕに連結されるワイヤーと、ワイヤーに連結されるとともに固定部１３に連結されるつる巻きばねとを含んで構成されてもよい。この場合、ワイヤーをカラム２３Ｕまで延設してから、ピン乃至はコロによってワイヤーの方向を変えれば、つる巻きばね自体の向きは任意である。すなわち、正側主弾性部の固定部に対する連結位置と、固定部の所定位置（請求項２等）とは同一でなくてもよい。なお、この場合、初期変形量（Δｌ_Ｐ０）と高さ（Ｈ_Ｐ）とは別個に設定可能である。

副弾性部（インタースプリング２９）についても、引張りに抗する弾性力を利用するのであれば、ワイヤーなどを含んで構成することによって、ばね自体は任意の方向に配置することができる。なお、この場合における、副弾性部位置調整機構による位置調整が行われる弾性力の方向（請求項４等）は、副方向（ｘ方向）に限定されず、また、可動部に対する連結位置周辺における弾性力の方向である。

なお、上記の説明からも理解されるように、正側主弾性部が可動部に対して第２回転軸方向に平行な軸回りに回転可能に連結されているという場合、正側主弾性部に含まれ、可動部に固定されている可撓性部材（ワイヤー）が湾曲することによって回転（ワイヤーの傾斜の増減）が許容されているものも含む。

可動部（載荷板１５）に対して副方向（ｘ方向）に移動可能で、主弾性部（バネシャフト２７）と副弾性部（インタースプリング２９）との間に介在するスライダー２５（副可動部）は、必須の要件ではない。例えば、実施形態において、バネシャフト２７の端部が直接的に載荷板１５に対してｙ軸回りに回転可能且つｘ方向に移動可能に連結されるとともに、当該バネシャフト２７の端部に直接にインタースプリング２９がｙ軸回りに回転可能に連結されていてもよい。

なお、上記の場合、バネシャフト２７の端部をスライダー（副可動部）と捉えることも可能である。また、本願では、主弾性部（バネシャフト２７）が可動部（載荷板１５）に連結され、副弾性部（インタースプリング２９）が主弾性部の可動部との連結部に連結されていると表現しているが、逆に、副弾性部の主弾性部側の連結部が可動部に対して副方向（ｘ方向）に移動可能に連結され、主弾性部が副弾性部の移動可能な連結部に回転軸方向（ｙ方向）に平行な軸回りに回転可能に連結されていると表現しても、実質的に同じである。

実施形態では、バネシャフト２７Ｕ及び２７Ｄは、載荷板１５に対してｘ方向において同一側に配置され、また、ｚ方向に対してｘ方向の同一側へ傾斜した。ただし、これらは、ｘ方向において載荷板１５に対して互いに逆側に配置されてもよいし、ｚ方向に対してｘ方向の互いに逆側へ傾斜してもよい。換言すれば、負側主弾性部（バネシャフト２７Ｄ）において可動部（載荷板１５）との連結部が固定部との連結部に対して位置する副方向の第２側（実施形態ではｘ方向の正側）と、正側主弾性部（バネシャフト２７Ｕ）において可動部との連結部が固定部との連結部（固定部の所定位置）に対して位置する副方向の第３側（実施形態ではｘ方向の正側）とは、互いに同一である必要はない。

実施形態では、バネシャフト２７Ｕがバネシャフト２７Ｄに対してｚ方向の正側に位置した。ただし、例えば、載荷板１５に代えてｚ方向に比較的長い部材を設け、バネシャフト２７Ｕがバネシャフト２７Ｄに対してｚ方向の負側に位置するように構成してもよい。ただし、実施形態のような上下関係の方が小型化に有利である。

主弾性部（バネシャフト２７）の可動部（載荷板１５）との連結部の移動方向（ｘ方向）は、可動部の移動方向（ｚ方向）に直交していなくてもよい。すなわち、第１及び第２副方向（ｘ方向）は、主方向（ｚ方向）に対して直交していなくてもよい。ただし、副方向が主方向に直交する方が、種々の計算が容易である。

負側主弾性部（バネシャフト２７Ｄ）の可動部（載荷板１５）との連結部の移動方向（ｘ方向）と、正側主弾性部（バネシャフト２７Ｕ）の可動部との連結部の移動方向（ｘ方向）とは、同一でなくてもよい。すなわち、第１副方向及び第２副方向は、互いに異なっていてもよい。

例えば、実施形態において、バネシャフト２７Ｄの載荷板１５との連結部がｘ方向において移動可能であるのに対して、バネシャフト２７Ｕの載荷板１５との連結部はｙ方向において移動可能であってもよい。すなわち、第１副方向及び第２副方向は、共に主方向に直交する平面内に平行で、かつ互いに異なる方向であってもよい。

ただし、第１副方向及び第２副方向が互いに同一方向であれば、全体としてばね機構は小型化されやすい。また、負側主弾性部と正側主弾性部とで、副方向の主方向に対する傾斜が互いに異なっていてもよい。

上記の第１副方向及び第２副方向の説明からも理解されるように、第１回転軸方向及び第２回転軸方向も互いに異なる方向であってよい。

実施形態では、主弾性部（バネシャフト２７）の固定部に対する主方向における位置を調整する位置調整機構として、固定部に設けられた複数の孔部（２３ｈ）と、この複数の孔部に選択的に挿通されて主弾性部を支持する軸部材との組み合わせを例示した。ただし、位置調整機構は、このような手動かつ非連続なものに限定されない。例えば、位置調整機構は、主弾性部の固定部との連結部を主方向（ｚ方向）において案内するスライドガイドと、前記の連結部を主方向において移動させるボールねじとを有し、手動（人力）又は自動（例えば電動機など）で、かつ連続的に、主弾性部の固定部との連結部の位置を調整してもよい。副弾性部（インタースプリング２９）の可動部（載荷板１５）に対する副方向における位置を調整する位置調整機構についても同様に、スライドガイド及びボールねじを含み、手動又は自動で、かつ連続的に位置を調整可能であってもよい。

１１…ばね機構（弾性機構）、１３…固定部、１５…載荷板（可動部）、１７Ｕ…負ばね機構（負弾性機構）、２７Ｄ…バネシャフト（負側主弾性部）、２９Ｄ…インタースプリング（負側副弾性部）。

Claims (12)

1. 固定部と、
   前記固定部に対して所定の主方向において移動可能な可動部と、
   前記可動部を前記固定部に対して前記主方向の第１側に付勢する弾性力を生じ、かつ前記主方向の前記第１側への前記可動部の変位に伴って弾性力を増加させる負弾性機構と、
   を有しており、
   前記負弾性機構は、
   前記固定部に対して前記可動部を付勢する弾性力を生じる負側主弾性部と、
   前記主方向に交差する第１副方向において、前記可動部に対して前記負側主弾性部を付勢する弾性力を生じる負側副弾性部と、を有し、
   前記負側主弾性部は、
   前記固定部に対して、前記主方向及び前記第１副方向に直交する第１回転軸方向に平行な軸回りに回転可能に連結されており、
   前記可動部に対して、前記第１副方向において移動可能かつ前記第１回転軸方向に平行な軸回りに回転可能に連結されており、
   前記可動部との連結部が前記固定部との連結部に対して前記主方向の前記第１側かつ前記第１副方向の第２側に位置しており、
   前記固定部との連結部と前記可動部との連結部との間の圧縮に抗する弾性力を生じる正のばね特性を有しており、
   前記負側副弾性部は、
   前記可動部に連結されており、
   前記負側主弾性部の前記可動部との連結部に連結されており、
   前記負側主弾性部の前記可動部との連結部の、前記第１副方向の前記第２側への変位に抗する弾性力を生じる正のばね特性を有している
   弾性機構。
2. 前記可動部を前記固定部に対して前記主方向の前記第１側へ付勢しており、かつ前記主方向の前記第１側への前記可動部の変位に伴って弾性力を減少させる正弾性機構を更に有し、
   前記正弾性機構は、
   前記固定部に対して前記可動部を付勢する弾性力を生じる正側主弾性部と、
   前記主方向に交差する第２副方向において、前記可動部に対して前記正側主弾性部を付勢する弾性力を生じる正側副弾性部と、を有し、
   前記正側主弾性部は、
   前記固定部に対して連結されており、前記固定部の所定位置から前記可動部へ至る部分を有しており、
   前記可動部に対して、前記第２副方向において移動可能かつ前記主方向及び前記第２副方向に直交する第２回転軸方向に平行な軸回りに回転可能に連結されており、
   前記可動部との連結部が前記固定部の前記所定位置に対して、前記主方向の前記第１側とは反対側かつ前記第２副方向の第３側に位置しており、
   前記固定部の前記所定位置と前記可動部との連結部との間の引張りに抗する弾性力を生じる正のばね特性を有しており、
   前記正側副弾性部は、
   前記可動部に連結されており、
   前記正側主弾性部の前記可動部との連結部に連結されており、
   前記正側主弾性部の前記可動部との連結部の、前記第２副方向の前記第３側とは反対側への変位に抗する弾性力を生じる正のばね特性を有している
   請求項１に記載の弾性機構。
3. 前記負側主弾性部の前記固定部との連結部の、前記固定部における位置を前記主方向において調整可能な負側主弾性部位置調整機構を更に有している
   請求項１又は２に記載の弾性機構。
4. 前記負側副弾性部の前記可動部との連結部の、前記可動部における位置を、前記負側副弾性部の弾性力の方向において調整可能な負側副弾性部位置調整機構を更に有している
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性機構。
5. 前記第１副方向は前記主方向に直交しており、
   前記負側主弾性部のばね定数をｋ_Ｓ、
   前記負側副弾性部のばね定数をＫ_Ｉ、
   前記負側主弾性部の前記第１副方向における弾性力と前記負側副弾性部の前記第１副方向における弾性力とが釣り合う状態における、
   前記負側主弾性部の、
   前記固定部との連結部から前記可動部との連結部までの長さをｌ_ｃ、
   弾性力を生じない状態からの縮みをΔｌ_０、
   前記固定部との連結部から前記可動部との連結部への方向の、前記第１副方向からの傾斜角をθ_ｃ、
   前記負側副弾性部の、弾性力を生じない状態からの変形量をΔｌ_Ｉとしたときに、
   Ｋ_Ｉ＝ｋ_Ｓ×Δｌ_０／ｌ_ｃ、及び
   Δｌ_Ｉ＝ｌ_ｃ×ｃｏｓθ_ｃが成り立つ
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性機構。
6. 前記第２副方向は前記主方向に直交しており、
   前記正側主弾性部のばね定数をｋ_ＰＳ、
   前記正側副弾性部のばね定数をＫ_ＰＩ、
   前記正側主弾性部の前記第２副方向における弾性力と前記正側副弾性部の前記第２副方向における弾性力とが釣り合う状態における、
   前記正側主弾性部の、
   前記固定部との連結部から前記可動部との連結部までの長さをｌ_Ｐｃ、
   弾性力を生じない状態からの伸びをΔｌ_Ｐ０、
   前記固定部の前記所定位置から前記可動部との連結部への方向の、前記第２副方向からの傾斜角をθ_Pc、
   前記正側副弾性部の、弾性力を生じない状態からの変形量をΔｌ_ＰＩとしたときに、
   Ｋ_PI＝ｋ_PS×Δｌ_P0／ｌ_Pc、
   Δｌ_PI＝ｌ_Pc×ｃｏｓθ_Pc及び
   ｋ_ＰＳ×Δｌ_Ｐ０／ｌ_Ｐｃ＝ｋ_Ｓ×Δｌ_０／ｌ_ｃが成り立つ
   請求項２を引用する請求項５に記載の弾性機構。
7. 前記第２副方向は前記主方向に直交しており、
   前記正側主弾性部のばね定数をｋ_ＰＳ、
   前記正側副弾性部のばね定数をＫ_ＰＩ、
   前記正側主弾性部の前記第２副方向における弾性力と前記正側副弾性部の前記第２副方向における弾性力とが釣り合う状態における、
   前記正側主弾性部の、
   前記固定部との連結部から前記可動部との連結部までの前記長さをｌ_Ｐｃ、
   弾性力を生じない状態からの伸びをΔｌ_Ｐ０、
   前記固定部の前記所定位置から前記可動部との連結部への方向の、前記第２副方向からの傾斜角をθ_Pc、
   前記正側副弾性部の、弾性力を生じない状態からの変形量をΔｌ_ＰＩとしたときに、
   Ｋ_PI＝ｋ_PS×Δｌ_P0／ｌ_Pc、
   Δｌ_PI＝ｌ_Pc×ｃｏｓθ_Pc及び
   ｋ_ＰＳ×Δｌ_Ｐ０／ｌ_Ｐｃ≠ｋ_Ｓ×Δｌ_０／ｌ_ｃが成り立つ
   請求項２を引用する請求項５に記載の弾性機構。
8. 前記可動部を前記固定部に対して前記主方向の前記第１側とは反対側へ付勢しており、かつ前記主方向の前記第１側とは反対側への前記可動部の変位に伴って弾性力を減少させる正弾性機構を更に有し、
   前記正弾性機構は、
   前記固定部に対して前記可動部を付勢する弾性力を生じる正側主弾性部と、
   前記主方向に交差する第２副方向において、前記可動部に対して前記正側主弾性部を付勢する弾性力を生じる正側副弾性部と、を有し、
   前記正側主弾性部は、
   前記固定部に対して連結されており、前記固定部の所定位置から前記可動部へ至る部分を有しており、
   前記可動部に対して、前記第２副方向において移動可能かつ前記主方向及び前記第２副方向に直交する第２回転軸方向に平行な軸回りに回転可能に連結されており、
   前記可動部との連結部が前記固定部の前記所定位置に対して、前記主方向の前記第１側かつ前記第２副方向の第３側に位置しており、
   前記固定部の前記所定位置と前記可動部との連結部との間の引張りに抗する弾性力を生じる正のばね特性を有しており、
   前記正側副弾性部は、
   前記可動部に連結されており、
   前記正側主弾性部の前記可動部との連結部に連結されており、
   前記正側主弾性部の前記可動部との連結部の、前記第２副方向の前記第３側とは反対側への変位に抗する弾性力を生じる正のばね特性を有している
   請求項１に記載の弾性機構。
9. 固定部と、
   前記固定部に対して所定の主方向において移動可能な可動部と、
   前記可動部を前記固定部に対して前記主方向の第１側へ付勢する弾性力を生じ、かつ前記主方向の前記第１側への前記可動部の変位に伴って弾性力を減少させる正弾性機構と、
   を有しており、
   前記正弾性機構は、
   前記固定部に対して前記可動部を付勢する弾性力を生じる正側主弾性部と、
   前記主方向に交差する第２副方向において、前記可動部に対して前記正側主弾性部を付勢する弾性力を生じる正側副弾性部と、を有し、
   前記正側主弾性部は、
   前記固定部に対して連結されており、前記固定部の所定位置から前記可動部へ至る部分を有しており、
   前記可動部に対して、前記第２副方向において移動可能かつ前記主方向及び前記第２副方向に直交する第２回転軸方向に平行な軸回りに回転可能に連結されており、
   前記可動部との連結部が前記固定部の前記所定位置に対して、前記主方向の前記第１側とは反対側かつ前記第２副方向の第３側に位置しており、
   前記固定部の前記所定位置と前記可動部との連結部との間の引張りに抗する弾性力を生じる正のばね特性を有しており、
   前記正側副弾性部は、
   前記可動部に連結されており、
   前記正側主弾性部の前記可動部との連結部に連結されており、
   前記正側主弾性部の前記可動部との連結部の、前記第２副方向の前記第３側とは反対側への変位に抗する弾性力を生じる正のばね特性を有している
   弾性機構。
10. 前記正側主弾性部は、前記固定部の前記所定位置に連結されており、
    前記正側主弾性部が連結されている前記所定位置の、前記固定部における位置を前記主方向において調整可能な正側主弾性部位置調整機構が設けられている
    請求項９に記載の弾性機構。
11. 前記正側副弾性部の前記可動部との連結部の、前記可動部における位置を、前記正側副弾性部の弾性力の方向において調整可能な正側副弾性部位置調整機構を更に有している
    請求項９又は１０に記載の弾性機構。
12. 前記主方向に直交する第３回転軸回りに回転可能であり、かつ前記第３回転軸から離れた位置にて前記可動部の前記主方向における変位が伝達される回転部材を更に有している
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の弾性機構。

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